JPH0812049B2

JPH0812049B2 - 光学的変位量測定装置

Info

Publication number: JPH0812049B2
Application number: JP30981991A
Authority: JP
Inventors: 祐二小林; 直久向坂; 成浩吉田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1991-10-29
Filing date: 1991-10-29
Publication date: 1996-02-07
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: JPH05118816A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物体の相対的な変位量や
変位方向を光学的に測定するための光学的変位量測定装
置に係わる。ここで、物体の変位量とは物体の移動量の
みならず変形量をも含む。

【０００２】

【従来の技術】物体の変位量や変位方向を光学的に測定
する手段の一つとして、スペックルパターンを利用した
いわゆるスペックル法がある。物体の粗面等にレーザ光
を照射するとこれが拡散反射し互いに干渉して斑点状の
模様を結像する。この模様をスペックルパターンとい
い、スペックルパターンを構成する個々の明るい斑点を
スペックルという。スペックルパターンは物体の粗面等
の形状に固有のものである。特開昭５９−２２２７０９
号公報にこのスペックル法を利用した変形量検出装置の
開示がある。この装置では、測定物体の変形前後のスペ
ックルパターンを二重露光撮影し、得られるスペックル
写真にレーザ光を照射してヤング縞像を発生させる。こ
のヤング縞像を０度から１８０度まで段階的に回転さ
せ、その都度一次元撮像素子でその縞間隔データを採取
する。各回転角度において採取した縞間隔データを比較
演算し縞間隔データが最小となった際の回転角度を求め
る。この最小縞間隔データとその際の回転角度からヤン
グ縞像の方向と間隔を解析する。解析結果に基づいて、
スペックルパターンの移動量及び移動方向を求め測定物
体の変形量及び変形方向を演算している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来の装置にお
いては、縞間隔データの採取のためにヤング縞像を少な
くとも１８０度回転する必要があり、このためデータ採
取に時間がかかるという問題があった。更に、縞間隔デ
ータを比較演算するのにも時間がかかり実時間測定性の
点において十分でないという問題もあった。

【０００４】また、ヤング縞像を回転させるための回転
駆動装置や回転制御装置が必要となり、検出装置全体が
大型化するという問題もあった。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、その目的は測定対象の相対的な変位量や変位方
向を短時間で測定でき実時間測定性に優れ、しかも小型
の光学的変位量測定装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の光学的変位量測定装置は、測定対象へ光を照射
するための光照射手段と、この照射光に基づく測定対象
からの反射光または透過光を受光して該測定対象の像を
所定の時間間隔で二重記録し該測定対象の相対的変位を
記録する記録手段と、該記録手段にコヒーレント光を照
射して記録した像を読みだすための読みだし用コヒーレ
ント光投光手段と、該読み出した像を少なくとも互いに
異なる二方向に偏向する偏向手段と、該読み出した像を
フーリエ変換するためのフーリエ変換手段と、該読みだ
した像の偏向による該フーリエ変換像の変化状態を検出
し該測定対象と該記録手段との間の相対的変位量を求め
るための検出手段とにより構成される。

【０００７】

【作用】上記構成を有する本発明の光学的変位量測定装
置は、装置に対して相対的に変位する測定対象に光照射
手段により光を照射し、測定対象からの透過光または反
射光を記録手段に受光させる。記録手段は測定対象の像
を所定の時間間隔をおいて二重記録し測定対象と該記録
手段（または該光学的変位量測定装置）との相対的変位
状態を記録する。この記録手段にコヒーレント光投光手
段からのコヒーレント光を照射して、記録手段に記録さ
れた該二重記録像を読み出す。偏向手段が該読みだした
二重記録像を少なくとも互いに異なる二方向に偏向す
る。また、フーリエ変換手段が該読みだした二重記録像
をフーリエ変換しフーリエ変換像を形成する。該フーリ
エ変換像は、該読みだした像の偏向により少なくとも互
いに異なる二方向に移動する。かかる該フーリエ変換像
の移動状態（変化状態）を検出手段により検出すること
により、測定対象の記録手段（または光学的変位量測定
装置）に対する相対的変位量を求める。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の第一実施例を図面を参照しな
がら説明する。

【０００９】図１は、本発明の第一実施例に係る光学的
変位量測定装置１の概略構成を示す光学系統図である。
測定対象である測定物体１９は搬送装置１８により図１
の紙面に対して直角に延びる搬送面１８ａにそって二次
元的に搬送移動されている。Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置２か
らのレーザ光の一部が音響光学偏向器（以下、「偏向
器」という）４により偏向されて測定物体１９に所定時
間間隔をおいて二度照射されるように構成されている。
二度の照射光に基づく測定物体１９の反射光がそれぞれ
結像レンズ５により強誘電性液晶空間光変調器（以下、
「光変調器」という）６の書き込み側光入射面上に結像
されて、測定物体１９の移動前後の像（スペックルパタ
ーン）が光変調器６に二重記録される。レーザ装置２か
らのレーザ光の他の一部は読みだし光学系９を経て第一
の光変調器６の読みだし光入射面に入射され、光変調器
６に記録された像の読み出しを行う。読み出された像は
偏向光学系１２により異なる二方向に偏向される。読み
出された像はまたフーリエ変換レンズ１０によりフーリ
エ変換され、レンズ後焦点面上にフーリエ変換像を形成
する。フーリエ変換像は該読み出された像の偏向にした
がい変化する。その変化状態は該レンズ後焦点面上に設
けられたフォトダイオード１３により検出される。演算
・制御装置１４はこのフォトダイオード１３の検出結果
に基づいてフーリエ変換像を解析し、測定物体１９の該
所定時間間隔における移動量及び移動方向を演算する。
この演算結果及びフォトダイオード１３の検出結果は演
算・制御装置１４の表示面１４Ａ上にそれぞれ表示され
る。なお、演算・制御装置１４は偏向器ドライバー１５
を制御して偏向光学系１２をフィードバック制御するこ
とにより、フォトダイオード１３の検出結果を、フーリ
エ変換像解析に必要な所望の状態に調整する。

【００１０】前記Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置２は、コヒーレ
ント光であるレーザ光を出射するためのものであり、直
線偏光状態のレーザ光を出射する。Ｈｅ−Ｎｅレーザ装
置２から出射したレーザ光は、ハーフミラー３に入射す
る。ここで、レーザ光の一部は反射されて偏光器４に入
射し、残りは読みだし光学系９に導かれる。

【００１１】前記音響光学偏向器４は、後述の音響光学
偏向器１２Ｘ及び１２Ｙと同様、超音波を伝搬させる媒
体を備え、入射光を回折して一次回折光を発生させる回
折格子として機能するものである。発生した一次回折光
の回折角は超音波の周波数の変化に応じて変わる性質を
有する。したがって該偏向器４は、ハーフミラー３で反
射され該偏向器４に入射した光の一次回折光を超音波周
波数の変調に応じて任意の方向に偏向させる。つまり、
該偏向器４は超音波周波数を変調させることにより一次
回折光を測定物体１９上に選択的に照射させる光シャッ
タとして機能する。尚、偏向器４には偏向器コントロー
ラ１７が接続されており、該偏向器コントローラ１７が
測定物体１９に一次回折光を照射させるタイミングを制
御する。

【００１２】図２は前記強誘電性液晶空間光変調器６の
構成を示す断面図である。強誘電性液晶層（以下、「液
晶層」という）６Ｃが一対の配向層６Ａと６Ｂの間に設
けられている。該配向層６Ａの液晶層６Ｃと反対の側に
は、誘電体ミラー６Ｆとアモルファスシリコン層（以
下、「ａ−Ｓｉ層」という）６Ｅと書き込み側透明電極
（以下、「電極」という）６Ｄとが設けられている。ま
た、該配向層６Ｂの液晶層６Ｃと反対の側には、読み出
し側透明電極（以下、「電極」という）６Ｇとガラス層
６Ｈと反射防止膜６Ｉとが設けられている。該液晶層６
ＣはカイラルスメクチックＣ（Ｓ_c ^*）液晶である。該ａ
−Ｓｉ層６Ｅは光伝導体層であり、アドレス材料として
機能する。該書き込み側透明電極６Ｄは書き込み光入射
面６Ｓ_wを、また該反射防止膜６Ｉは読み出し光入射面
６Ｓ_rを規定する。該一対の電極６Ｄと６Ｇとの間には
後述するように書き込み用及び消去用の駆動電圧と補償
電圧がパルス状に印加される。図１に示すように、該光
変調器６には光変調器コントローラ１６が接続されてお
り電極６Ｄと６Ｇとの間に印加する電圧を制御する。

【００１３】図１に示すように、該光変調器６はその書
き込み光入射面６Ｓ_w（すなわち該書き込み側透明電極
６Ｄ）が前記搬送装置１８の搬送面１８ａに対して平行
になるように配置されている。また、発光ダイオード
（ＬＥＤ）７が該光変調器６の書き込み側入射面６Ｓ_w
の全面を照射するように設けられており、液晶層６Ｃに
既に記録されている像を消去するのに用いられる。

【００１４】該カイラルスメクチックＣ（Ｓ_c ^*）液晶層
６Ｃは、分子の自発分極の方向が両電極６Ｄ及び６Ｇの
いずれかの方向に向いた状態で安定する二値安定特性を
有する。液晶層が二つの安定状態のうちの一つで安定し
ている場合において、該液晶層に自発分極の方向とは逆
向きで値が液晶層に特有のしきい値Ｅ_s以上の電場がか
かると、自発分極が電場の方向に揃うよう反転し液晶分
子の配列状態が変化して他の一つの安定状態に入る。

【００１５】以下、光変調器６の書き込み動作について
説明する。液晶分子全体がその自発分極が一方の電極の
方向に向いた状態で安定している場合において、両電極
間に自発分極とは逆向きの電場を与えるような極性の書
き込み用直流駆動電圧を印加する。書き込みパターン光
が入射面６Ｓ_wを経て光伝導体層たるａ−Ｓｉ層６Ｅに
入射すると、ａ−Ｓｉ層６Ｅが光入射位置において低抵
抗となり、液晶層の対応する位置にしきい値電場Ｅ_s以
上の電場がかかる。その結果、光入射部分に対応した液
晶層の位置の分子の自発分極が電場の方向に反転し分子
の配列状態が変化して、書き込みパターンが液晶層６Ｃ
内に記録される。なお、この分子配列状態はその後電場
を切ってもそのまま保持されるため、書き込みパターン
が液晶層６Ｃ内に記録保持されることになる。

【００１６】パターン書き込みが行われた光変調器６か
らのパターン読み出し動作は以下のように行う。液晶層
６Ｃ内ではパターン書き込み位置とそれ以外の位置とで
液晶分子の配列状態が異なっており、読み出し光に対す
る屈折率が異なっている。したがって、読み出し光が読
み出し光入射面６Ｓ_rから入射して液晶層６Ｃ内を伝搬
すると、書き込みパターンに基づいた位相変調がなさ
れ、もって書き込みパターンの読み出しがなされる。

【００１７】前記読み出し光学系９は、前記ハーフミラ
ー３を透過したレーザビームを前記光変調器６の読み出
し側に読み出し光として導くものである。該読み出し光
学系９では、ハーフミラー３を透過してきた光が変換光
学系８により一定のビーム径を有する平行光に変換され
る。該変換光学系８は一対のコリメータレンズ８Ａ及び
８Ｃとその間に設けられたスペイシャルフィルター８Ｂ
とから構成されている。得られた平行光はミラー９Ａで
反射され可変アパーチャ９Ｂでそのビーム径を所望の値
に変更させられる。この光ビームはシャッタ９Ｃにより
ハーフミラー９Ｄに選択的に照射される。ハーフミラー
９Ｄに照射された光ビームはその一部が反射されて光変
調器６の読み出し光入射面６Ｓ_rに入射される。

【００１８】前記光変調器６に入射した読み出し光は、
液晶層６Ｃ内で位相変調された後読み出し光入射面６Ｓ
_rから出射する。該出射した読み出し光は前記ハーフミ
ラー９Ｄを透過して前記フーリエ変換レンズ１０に到
る。該読みだし光は該フーリエ変換レンズ１０通過後後
述の偏向光学系１２に入射する。読みだし光はこの偏向
光学系１２で偏向された後前記フーリエ変換レンズ１０
の後焦点面（フーリエ変換面）に到達し、該後焦点面上
に読みだし光のフーリエ変換像を結像する。

【００１９】偏向光学系１２は、一対の音響光学偏向器
１２Ｘ及び１２Ｙとその間に設けられた半波長板１１と
からなる。音響光学偏向器１２Ｘは図４Ａに示すよう
に、超音波伝搬媒体として機能する結晶１２１の一端に
圧電振動子（トランスデューサ）１２２を、他端に超音
波吸収材１２３を備えたものである。図１に示す偏向器
ドライバー１５が圧電振動子１２２に接続しておりこれ
を振動させ超音波を発生させる。超音波は結晶１２１内
を振動子１２２から吸収材１２３へ進行する。超音波伝
搬中の結晶１２１は入射面１２１ａから入射した光を回
折して出射面１２１ｂから一次回折光のみを出射させる
回折格子として機能する。ここで、結晶１２１の屈折率
をｎ、超音波周波数（圧電振動子の振動数）をｆ，超音
波の伝搬速度をｖ，及び入射光の真空中での波長をλ₀
とすると、一次回折光の回折角θは下記の数式１で与え
られる。

【００２０】

【数１】θ＝ｆλ₀／ｎｖ

【００２１】また超音波周波数ｆを△ｆ変化させると、
回折角（偏向角）θが△θ（＝△ｆλ₀／ｎｖ）だけ変
化する。したがって、偏向器ドライバー１５が圧電振動
子１２２の振動数すなわち超音波周波数ｆを変化させる
ことにより、回折角θを変化させることができる。偏向
器１２Ｘはこのように入射光を偏向角θで偏向する機能
を有すると共に、超音波周波数を変化させることにより
その偏向角θを変化させることができる。以上、偏向器
１２Ｘについて説明したが、偏向器１２Ｙも偏向器１２
Ｘと同様の構成を有し同様の動作をおこなう。偏向器１
２Ｙもまた前記偏向器ドライバー１５に接続されてい
る。

【００２２】図１に示すように、偏向器１２Ｘと１２Ｙ
とは、変換レンズ１０からの光がまず偏向器１２Ｘに入
射しその一次回折光が偏向器１２Ｙに入射しうるよう配
置されている。たとえば、レンズ１０の光軸が偏向器１
２Ｘと１２Ｙの両方の入射面１２１ａを貫くように配置
する。ここで図４Ａに示すように、偏向器１２Ｘの圧電
振動子１２１の振動方向、すなわち発生する超音波の進
行方向に平行に偏向器１２Ｘの軸（以下、「Ｘ軸」とい
う）をとる。入射光の回折（すなわち偏向）は、図４Ｂ
に示すように、偏向器１２ＸのＸ軸を含みかつ入射光の
進行方向をも含む平面（以下、「偏向面Ｓ_X」という）
にそっておこなわれる。偏向器１２Ｘの超音波周波数を
ｆ_Xとすると偏向角θ_Xは下記の数式２で与えられる。同
様に、偏向器１２Ｙの超音波の進行方向に偏向器１２Ｙ
の軸（以下、「Ｙ軸」という）をとる。図４Ｂに示すよ
うに、偏向器１２Ｘからの一次回折光は偏向器１２Ｙに
入射すると、この一次回折光の進行方向を含みかつＹ軸
をも含む平面（以下、「偏向面Ｓ_Y」という）にそって
偏向される。偏向器１２Ｙの超音波周波数をｆ_Yとする
と偏向角θ_Yは数式３で与えられる。（なお偏向器１２
Ｘ及び１２Ｙの超音波伝搬媒体１２１は共に同一の屈折
率ｎであり、超音波は同一の速度ｖで伝搬する。）した
がって図４Ｂに示すように、変換レンズ１０からの光は
まず偏向器１２Ｘにより偏向面Ｓ_X上を偏向角θ_Xで偏向
された後、偏向器１２Ｙにより偏向面Ｓ_Y上を偏向角θ_Y
で偏向される。

【００２３】

【数２】θ_X＝ｆ_Xλ₀／ｎｖ

【００２４】

【数３】θ_Y＝ｆ_Yλ₀／ｎｖ

【００２５】偏向器１２Ｘの超音波周波数ｆ_Xを一定の
割合ｄｆ_X／ｄｔで変化させる（すなわち、一定の掃引
速度で掃引する）場合には、偏向角θ_Xが一定の割合ｄ
θ_X／ｄｔで変化することになる。ここで該一定の割合
ｄθ_X／ｄｔは下記の数式４で与えられる。したがっ
て、変換レンズ１０からの光が偏向面Ｓ_X上を徐々に移
動することになる。また、偏向器１２Ｙの超音波周波数
ｆ_Yを一定の掃引速度ｄｆ_Y／ｄｔで掃引する場合には、
偏向角θ_Yが一定の割合ｄθ_Y／ｄｔで変化する。ここで
該一定の割合ｄθ_Y／ｄｔは下記の数式５で与えられ
る。したがって、偏向器１２Ｙからの光が偏向面Ｓ_Y上
を徐々に移動することになる。

【００２６】

【数４】ｄθ_X／ｄｔ＝（ｄｆ_X／ｄｔ）・λ₀／ｎｖ

【００２７】

【数５】ｄθ_Y／ｄｔ＝（ｄｆ_Y／ｄｔ）・λ₀／ｎｖ

【００２８】偏向器１２Ｘと１２Ｙとは、図１及び図４
Ｃに示すようにそのＸ軸とＹ軸とが互いに９０度の角度
をなすように配置されている。たとえば図１に示すよう
に、Ｘ軸は図１の紙面にそう方向に、Ｙ軸は図１の紙面
に対して直角に延びる方向に延びている。このようにＸ
軸とＹ軸とが互いに９０度の角度をなすように配置され
ているため、偏向面Ｓ_Xと偏向面Ｓ_Yも図４Ｂに示すよう
に互いに９０度の角度をなしている。変換レンズ１０か
らの光はまず偏向面Ｓ_X上にそって角度θ_Xだけ偏向され
た後、偏向面Ｓ_Xと９０度をなす偏向面Ｓ_Yにそって角度
θ_Yだけ偏向される。したがって、変換レンズ１０から
の光は、一対の偏向器１２Ｘ及び１２ＹによりＸ軸方向
に角度θ_XＹ軸方向に角度θ_Yと、二つの互いに異なる方
向に偏向される。

【００２９】ところで、偏向器の偏向特性は入射する光
の偏光状態（偏光方向）によって異なる。偏光器１２Ｘ
と１２Ｙとは上述のようにその軸方向が９０度をなすよ
うに配置されている。偏光状態が同一の光が両偏向器に
入射すると、その光の両偏向器に対する偏光状態が互い
に異なることになるため、その光の両偏向面Ｓ_X及びＳ_Y
にそった偏向の特性が互いに異なってしまう。そこで、
本発明においては、両偏向器１２Ｘ及び１２Ｙの間に半
波長板（λ／２板）１１を設けている。半波長板１１は
偏向器１２Ｘから出射した一次回折光をその偏光方向を
９０度回転させ、その後に偏向器１２Ｙに入射させる機
能を果たす。半波長板１１はこうして偏向器１２Ｘに対
する光の偏光状態と偏光器１２Ｙに対する光の偏光状態
とを一致させる。この結果、変換レンズ１０からの光は
一対の偏光器１２Ｘと１２Ｙにより二つの互いに異なる
方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）へそれぞれ同一の偏向特
性で偏向される。

【００３０】図１及び図４Ｃに示すように、偏向器１２
Ｙの後側であって変換レンズ１０の後焦点面上にはフォ
トダイオード１３が設けられている。詳しくは、フォト
ダイオード１３の受光面１３ａが変換レンズ１０の後焦
点面上であってかつ偏向器１２Ｙからの一次回折光が入
射可能な位置に配置されている。すなわち、フォトダイ
オード１３は図４Ｃ及び４Ｄに示すように、その受光面
１３ａが偏向器１２Ｘの出射面１２１ｂと偏向器１２Ｙ
の出射面１２１ｂとが重なりあう範囲を臨むように配置
されている。たとえば図４Ｃに示すように、偏向器１２
Ｘと１２Ｙとをレンズ１０の光軸がその両入射面１２１
ａを貫くように配置した場合、フォトダイオード１３も
レンズ１０の光軸上に配置すればよい。該フォトダイオ
ード１３は、偏向器１２Ｙから出射した一次回折光のう
ちフォトダイオード受光面位置に到達した分の光強度を
電気信号に変換する機能を有する。ところで、変換レン
ズ１０の後焦点面（フーリエ変換面）には、光変調器６
からの読みだし光であって偏向光学系１２により偏向さ
れたもののフーリエ変換像が結像される。また、フォト
ダイオード１３の受光面１３ａは上述のように該レンズ
１０の後焦点面上の特定の一点の位置に配置されてい
る。したがってフォトダイオード１３は、フーリエ変換
像の該特定の一点位置における状態（光強度）を検出す
ることになる。

【００３１】フォトダイオード１３はフーリエ変換像の
該特定の一点位置における光強度を電気信号に変換する
とこれを図１に示す演算・制御装置１４に出力する。演
算・制御装置１４はフォトダイオード１３からの電気信
号（すなわち、フーリエ変換像の一点位置における光強
度）の時間的変化を検出する。演算・制御装置１４は検
出結果たるフォトダイオード１３の電気信号の時間的変
化状態をその表示面１４Ａ上に表示する。演算・制御装
置１４はまた、該検出結果に基づいて偏向器ドライバー
１５を制御し偏向器１２Ｘ及び１２Ｙの超音波周波数ｆ
_X及びｆ_Yを調整して所望の検出結果を得られるようにす
る。すなわちフォトダイオード１３からの電気信号が所
望の時間的変化状態になるようにする。演算・制御装置
１４は、かかる制御の結果得られた該所望の検出結果と
偏向器ドライバー１５の制御内容を基に測定物体１９の
移動量、移動方向及び必要な場合には移動速度を演算
し、演算結果を表示面１４Ａ上に表示する。

【００３２】次に上記実施例に係る光学的変位量測定装
置１の動作について説明する。

【００３３】図３に示すように、消去用発光ダイオード
７の光を光変調器６の光入射面６Ｓ_w全面に照射しつ
つ、消去用直流駆動電圧Ｖ_eを該光変調器６の電極６Ｄ
と６Ｇとの間に印加する。すると、液晶層６Ｃにかかる
消去用電場Ｅ_eが前記しきい値電場Ｅ_s以上となって、液
晶層分子全体の自発分極が電場Ｅ_eの方向に向いて一様
に配列する。この結果、すでに記録されていた像が消去
される。なお、液晶の劣化を防止するため、消去用駆動
電圧Ｖ_e印加前にその印加時間と同一の時間だけ消去用
電圧とは逆極性の直流補償電圧Ｖ_ecを印加する。

【００３４】Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置２から出射したレー
ザビームのうちハーフミラー３で反射されたものが偏向
器４に入射する。偏向器４は偏向器コントローラ１７の
制御に基づき、ある時刻ｔに所望のスポット径を有する
一次回折光を一定の偏向方向に偏向して測定物体１９の
表面に照射する。該照射された光は測定物体１９の表面
で反射されて結像レンズ５に到る。該結像レンズ５は該
反射光を光変調器６の書き込み光入射面６Ｓ_w上に結像
しそこにスペックルパターンを結像させる。

【００３５】図３に示すように、該スペックルパターン
が光変調器６へ入射された時刻すなわち時刻ｔには、電
極６Ｄと６Ｇとの間には書き込み用直流駆動電圧Ｖ_wが
印加されている。この書き込み用直流駆動電圧Ｖ_wは前
記消去用駆動電圧Ｖ_eとは逆の極性を有する。液晶層６
Ｃ内では、明るい斑点状のスペックルが入射した位置に
対応した位置の電場Ｅ_wのみがしきい値電場Ｅ_s以上とな
り、その位置の分子の自発分極が書き込み用電場Ｅ_wに
揃う方向に反転する。この結果、スペックル位置の液晶
分子の配列状態が変化し、その変化後の状態が記録され
る。このようにして、液晶層６Ｃに測定物体１９の時刻
ｔにおけるスペックルパターン像（スペックルパターン
１）が記録保持される。なお、液晶の劣化を防止するた
め、書き込み用駆動電圧Ｖ_w印加前には、その印加時間
と同一時間だけ駆動電圧Ｖ_wとは逆極性の補償電圧Ｖ_wc
を印加する。

【００３６】本実施例で用いる強誘電性液晶空間光変調
器６は既述のように液晶分子配列の安定状態が二つある
二値記録素子であるため、明暗パターンであるスペック
ルパターンを記録するのに非常に適している。また、強
誘電性液晶の書き込み速度はμｓｅｃオーダと極めて速
いため、実時間測定性の点からも優れている。

【００３７】偏向器４は図３に示すように、時刻ｔより
Δｔ経過した後に再び光を測定物体１９に照射する。つ
まり、時刻ｔ＋Δｔにおいて偏向器４は一次回折光を時
刻ｔにおける偏向方向と同一の方向に偏向して測定物体
１９に照射させる。この照射により得られるスペックル
パターン（スペックルパターン２）を書き込み駆動電圧
Ｖ_wが印加されたままの光変調器６に照射し記録させ
る。光変調器６の液晶層６Ｃは既述のように記録した情
報を保持する機能があるため、スペックルパターン１と
２とが液晶層６Ｃに二重記録されることになる。

【００３８】測定物体１９が時刻ｔからΔｔたつまでの
間にΔＳだけ移動したとすると、光変調器６には時刻ｔ
からΔｔ秒たつ間に移動した測定物体１９の移動前後の
スペックルパターンが二重記録される。スペックルパタ
ーンは測定物体１９の形状等に固有のものであるため、
スペックルパターン１と２とは同一のスペックル分布を
有する。したがって液晶層６Ｃには、同一のスペックル
パターンが測定物体１９の移動方向と平行な方向に互い
に一定の間隔ΔＮだけずれて記録されることになる。な
お、このずれ量ΔＮと測定物体１９の移動量ΔＳとは以
下の数式６の関係にある。

【００３９】

【数６】ΔＮ＝Ｍ・ΔＳ

【００４０】該数式６で、Ｍは結像レンズ５等の結像系
で決まる比例定数である。

【００４１】光変調器６の液晶層６Ｃに以上のようにし
て記録された二重スペックルパターンは、以下のように
読み出され光学的に処理されることにより、測定物体１
９の移動量ΔＳ、移動方向及び必要な場合は移動速度Ｖ
＝ΔＳ／Δｔが求められる。

【００４２】レーザ装置２から出射したレーザ光のうち
ハーフミラー３を透過しミラー９Ａで反射された光が、
読み出し光学系９に導かれて光変調器６の読み出し光と
して用いられる。なお、読み出し光のビーム径は可変ア
パーチャ９Ｂにより所望のビーム径とされる。シャッタ
９Ｃが図３に示すタイミングで開かれることにより、読
みだし光が光変調器６に導かれる。読み出し光は光変調
器６の読み出し光入射面６Ｓ_rより入射して液晶層６Ｃ
内を伝搬し、誘電体ミラー６Ｆで反射して再び液晶層６
Ｃ内を伝搬した後読み出し光入射面６Ｓ_rより出射す
る。読み出し光は液晶層６Ｃ内を伝搬する際にスペック
ルパターン１及び２により位相変調を受け回折される。
該読みだし光はコヒーレント光であるため、スペックル
パターン１及び２の相対応するスペックルにより生じた
回折光が互いに干渉し明暗の干渉パターンを形成する。
この干渉パターンは各スペックルパターン１及び２の相
対応するスペックルの距離すなわちスペックルパターン
のずれ量ΔＮに対応している。したがって、かかる干渉
パターンの光変調器６からの出射により二重スペックル
パターンの読み出しが行われる。

【００４３】読み出された二重スペックルによる干渉パ
ターン光は、フーリエ変換レンズ１０によってレンズ後
焦点面上に結像される。すなわち、後焦点面上にフラウ
ンホーファ回折像としての干渉縞（以下、「ヤング縞」
と称する）が結像される。換言すれば、二重スペックル
パターンが空間周波数領域へフーリエ変換されてフーリ
エ変換面上にヤング縞が形成される。このヤング縞の並
んだ方向（縞に垂直な方向）は、スペックルパターン１
及び２のずれ方向（測定物体１９の移動方向）と平行で
あり、ヤング縞間隔（ヤング縞に垂直な方向におけるヤ
ング縞明線間距離）ΔＬはスペックルパターンのズレ量
ΔＮと以下の数式７の関係にある。

【００４４】

【数７】ΔＮ＝λ₀・ι／ΔＬ

【００４５】該数式７で、λ₀は読みだし光（Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザ装置２からのレーザ光）の空気中の波長、ιは
変換レンズ１０の焦点距離である。したがって、ヤング
縞の方向及び間隔ΔＬを求めれば、上記の数式６及び７
より測定物体の移動方向及び移動量ΔＳが求められる。

【００４６】一方、レンズ１０の後焦点面に到る前の領
域には、光変調器６からの干渉パターン光によるフレネ
ル回折像としての明暗の干渉縞が形成される。つまり、
このフレネル回折像が、レンズ１０の後焦点面に達する
ことにより該面上に前記フラウンホーファ回折像として
の前記ヤング縞を結像するのである。偏向器１２Ｘ及び
１２Ｙがレンズ１０とその後焦点面との間に配置されて
いるため、該フレネル回折像はこれら偏向器に入射す
る。すなわち、フレネル回折像はまず偏向器１２Ｘに入
射し前記偏向面Ｓ_XにそってＸ軸方向に偏向される。こ
こで、偏向器１２Ｘの超音波周波数ｆ_Xを一定の掃引速
度で掃引すると、該フレネル回折像はＸ軸方向にそって
徐々に偏向されていく。偏向器１２Ｘで偏向を受けたフ
レネル回折像は、次に前記偏向器１２Ｙに入射し偏向面
Ｓ_YにそってＹ軸方向に偏向される。ここで、偏向器１
２Ｙの超音波周波数ｆ_Yを一定の掃引速度で掃引する
と、該フレネル回折像はＹ軸方向にそって徐々に偏向さ
R>れていく。フレネル回折像がこのようにＸ軸及びＹ軸
方向にそって徐々に偏向される結果、該フレネル回折像
が結像して形成するヤング縞が、レンズ後焦点面上を前
記Ｘ軸及びＹ軸方向に平行な方向に徐々に移動していく
ことになる。

【００４７】既述のようにフォトダイオード１３の受光
面は、レンズ後焦点面上のうち両偏向器１２Ｘ及び１２
Ｙの出射面１２１ｂの重複範囲を臨む位置に配置されて
いる。したがって、該後焦点面上におけるヤング縞の移
動の結果、フォトダイオード受光面にはヤング縞の明線
と暗線が交互に到達することになり、フォトダイオード
１３の出力レベルが時間の経過にしたがい変化する。演
算・制御装置１４がフォトダイオード１３の出力レベル
の時間変化を測定し、この測定結果からヤング縞の縞間
隔及び縞方向を演算する。更に、演算・制御装置１４は
この演算結果に基づき測定物体１９の移動方向及び移動
量、及び必要ならば移動速度を演算するのである。

【００４８】以下、フレネル回折像の偏向によるヤング
縞の方向及び縞間隔ΔＬを求める方法について更に詳細
に説明する。

【００４９】偏向器ドライバー１５がまず、偏向器１２
Ｙに超音波を伝搬させるのを停止するかまたはその超音
波周波数ｆ_Yを一定に維持したまま、偏向器１２Ｘの超
音波周波数ｆ_Xを一定の掃引速度ｄｆ_X／ｄｔで掃引す
る。偏向器１２Ｘの偏向角度が一定の割合ｄθ_X／ｄｔ
で変化する。ここで該一定の割合ｄθ_X／ｄｔは既述の
数式４で与えられる。したがって、偏向器１２Ｘに入射
したフレネル干渉縞は偏向面Ｓ_X（Ｘ軸）にそって一定
の偏向角速度ｄθ_X／ｄｔで徐々に偏向される。この結
果、該フレネル回折像が変換レンズ１０の後焦点面上に
結像してできたヤング縞が、Ｘ軸に平行な方向（偏向面
Ｓ_Xにそう方向）に略一定の速度ｖ_Xで移動していく。こ
こで該速度ｖ_Xは下記の数式８で与えられる。

【００５０】

【数８】ｖ_X＝ι_X・ｄθ_X／ｄｔ

【００５１】ここで、ι_Xは偏向器１２Ｘからレンズ１
０後焦点面までの距離である。図５Ａは、ヤング縞の明
線が偏向器１２Ｘの該動作に基づいてＸ軸方向に平行な
方向に該速度ｖ_Xで移動する様子を示している。すなわ
ち図５Ａは、点線で示した位置にあったヤング縞明線が
実線で示す位置まで該速度ｖ_Xで移動したことを示す。

【００５２】ヤング縞の移動にしたがい、その明線がフ
ォトダイオード１３の受光面１３ａ上に達するとフォト
ダイオード受光強度は高くなり、暗線が達するとフォト
ダイオード受光強度は低くなる。したがって、フォトダ
イオード１３の出力レベルはヤング縞明線がフォトダイ
オード受光面に入射するたびにピークに達する。偏向器
１２Ｘの超音波周波数の掃引にしたがいヤング縞が図５
Ａに示すように移動する結果、フォトダイオード出力レ
ベルが図５Ｂに示すように一定の時間間隔ΔＴ_Xをおい
てピークに達することになる。つまり、ヤング縞が速度
ｖ_X（＝ι_X・ｄθ_X／ｄｔ）でＸ軸と平行な方向に移動
した結果、ヤング縞の明線が所定のフォトダイオード位
置に時間間隔ΔＴ_Xをおいて到達するのである。したが
って、ヤング縞のＸ軸方向の明線間距離すなわちＸ軸方
向の縞間隔ΔＬ_Xが下記の数式９で与えられることにな
る。偏向器ドライバー１５により調整されている偏向器
１２Ｘの該超音波周波数掃引速度ｄｆ_X／ｄｔは演算・
制御装置１４に記録される。演算・制御装置１４はまた
フォトダイオード１３の出力値を測定し出力ピークの時
間間隔ΔＴ_Xを計測する。演算・制御装置１４はこの掃
引速度記録結果ｄｆ_X／ｄｔ及び出力ピーク間隔計測結
果Ｔ_Xから下記の数式９によりＸ軸方向の縞間隔ΔＬ_Xを
演算するのである。

【００５３】

【数９】 ΔＬ_X＝ｖ_X・ΔＴ_X＝ΔＴ_X・ι_X・ｄθ_X／ｄｔ＝ΔＴ_X・ι_X・（ｄｆ_X／ｄｔ）・（λ₀／ｎｖ）

【００５４】ところで演算・制御装置１４には、図５Ｂ
に示すように、フォトダイオード出力値の時間的変化を
測定できる最大時間的範囲Ｔ_maxすなわち表示面１４Ａ
上に表示可能な最大時間的範囲につき一定の制限があ
る。ここで、ヤング縞のＸ軸方向縞間隔ΔＬ_Xに比して
超音波周波数掃引速度ｄｆ_X／ｄｔが小さすぎるとフォ
トダイオード１３の出力ピーク時間間隔ΔＴ_Xが該時間
的制限範囲Ｔ_maxを超えて大きくなってしまう。この場
合には表示面１４Ａ上には出力ピークが一つも表示され
ないかまたは一つしか表示されないことになるため、ピ
ーク間時間間隔ΔＴ_Xを測定することが不可能となる。
そこで、演算・制御装置１４は出力ピークが該時間的制
限範囲内に二つ以上現れたか否か判断し、現れていない
と判断された場合には、偏向器ドライバー１５を制御し
て超音波周波数掃引速度ｄｆ_X／ｄｔを大きくする。こ
うして、フォトダイオード１３の出力レベルピーク値が
少なくとも二つ以上表示面１４Ａ上に表示されるように
し、ヤング縞のＸ軸方向の縞間隔ΔＬ_Xを測定する。一
方、超音波周波数掃引速度ｄｆ_X／ｄｔが大きすぎる場
合には、ピーク時間間隔ΔＴ_Xが演算・制御装置１４の
測定時間精度より小さくなりその測定が不可能となる。
そこで、演算・制御装置１４はピーク時間間隔がある最
小限界値Ｔ_min以上か否か判断する。そして該最小限界
値Ｔ_min以下と判断された場合には、演算・制御装置１
４は偏向器ドライバー１５を制御して超音波周波数掃引
速度ｄｆ_X／ｄｔを小さくしピーク間時間間隔ΔＴ_Xを測
定可能な値（該限界値以上の値）とし、ヤング縞のＸ軸
方向の縞間隔を測定する。このように、演算・制御装置
１４は偏向器１２Ｘの超音波周波数掃引速度を制御し
て、ピーク時間間隔ΔＴ_Xを演算・制御装置１４の該時
間的制限範囲Ｔ_max以下であって該最小限界値Ｔ_min以上
になるようにし測定可能な状態にしたうえで、縞間隔Δ
Ｌ_Xの測定を行うのである。

【００５５】次に、偏向器１２Ｘに超音波を伝搬させる
のを停止するかまたはその超音波周波数ｆ_Xを一定に維
持したまま、偏向器１２Ｙの超音波周波数ｆ_Yを一定の
掃引速度ｄｆ_Y／ｄｔで掃引する。この結果、偏向器１
２Ｙの偏向角θ_Yが一定の割合ｄθ_Y／ｄｔで変化する。
該ｄθ_Y／ｄｔは既述の数式５で与えられる。したがっ
て、偏向器１２Ｙに入射したフレネル干渉縞が偏向面Ｓ
_Y（Ｙ軸）にそって一定の偏向角速度ｄθ_Y／ｄｔで徐々
に偏向されていく。この結果図５Ｃに示すように、該フ
レネル回折像が変換レンズ１０の後焦点面上に結像して
できたヤング縞が、Ｙ軸に平行な方向（偏向面Ｓ_Yにそ
う方向）に略一定の速度ｖ_Yで移動していく。なお、該
図５Ｃは、点線で示す位置にあったヤング縞明線が実線
で示す位置まで該速度ｖ_Yで移動したことを示す。ま
た、該速度ｖ_Yは下記の数式１０で与えられる。

【００５６】

【数１０】ｖ_Y＝ι_Y・ｄθ_Y／ｄｔ

【００５７】ここで、ι_Yは偏向器１２Ｙから後焦点面
までの距離である。

【００５８】偏向器１２Ｙの超音波周波数の掃引にした
がいヤング縞が図５Ｃに示すように移動する結果、フォ
トダイオード出力レベルが図５Ｄに示すように一定の時
間間隔ΔＴ_Yをおいてピークに達することになる。つま
り、ヤング縞が速度ｖ_Y（＝ι_Y・ｄθ_Y／ｄｔ）でＹ軸
と平行な方向に移動した結果、ヤング縞の明線が所定の
フォトダイオード位置に時間間隔ΔＴ_Yをおいて到達す
るのである。したがって、ヤング縞のＹ軸方向の明線間
距離すなわちＹ軸方向の縞間隔ΔＬ_Yが下記の数式１１
で与えられることになる。

【００５９】

【数１１】 ΔＬ_Y＝ｖ_Y・ΔＴ_Y＝ΔＴ_Y・ι_Y・ｄθ_Y／ｄｔ＝ΔＴ_Y・ι_Y・（ｄｆ_Y／ｄｔ）・（λ₀／ｎｖ）

【００６０】演算・制御装置１４は、偏向器ドライバー
１５により調整されている偏向器１２Ｙの超音波周波数
掃引速度ｄｆ_Y／ｄｔを記録すると共に、フォトダイオ
ード１３の出力値を測定し出力ピークの時間間隔ΔＴ_Y
を計測する。演算・制御装置１４はこの掃引速度記録結
果ｄｆ_Y／ｄｔ及び出力ピーク間隔計測結果ΔＴ_Yから上
記の数式１１によりＹ軸方向の縞間隔ΔＬ_Yを演算す
る。なお、Ｘ軸方向の出力ピーク間隔ΔＴ_Xの測定の場
合と同様に、出力ピーク間隔ΔＴ_Yの測定においても演
算・制御装置１４が偏向器ドライバー１５を制御してい
る。すなわち、演算・制御装置１４は偏向器１２Ｙの超
音波周波数掃引速度を調整し、出力ピーク間隔ΔＴ_Yの
計測が可能な所望のフォトダイオード出力値の時間変化
状態を得たうえでその計測を行う。具体的には、偏向器
１２Ｙの超音波周波数掃引速度を調整して、ピーク時間
間隔ΔＴ_Yを演算・制御装置１４の前記最大時間的制限
範囲Ｔ_m _ax以下であって前記最小限界値Ｔ_min以上になる
ようにし測定可能な状態にしたうえで、該縞間隔ΔＬ_Y
の測定を行うのである。

【００６１】演算・制御装置１４はさらに、このように
して求めたヤング縞のＸ軸方向の縞間隔ΔＬ_X及びＹ軸
方向の縞間隔ΔＬ_Yよりヤング縞の間隔ΔＬ（縞に垂直
な方向における縞明線間距離）及び縞方向角度ψ（縞に
垂直な方向がＸ軸に平行な方向に対してなす角度）を演
算する。すなわち、図６に示すようにヤング縞の間隔Δ
Ｌと間隔ΔＬ_X及びΔＬ_Yとは下記の数式１２で示す関係
にあるのでこの式を演算してヤング縞間隔ΔＬを求め
る。

【００６２】

【数１２】１／ΔＬ²＝１／ΔＬ_X ²＋１／ΔＬ_Y ²

【００６３】また、縞方向ψは数式１３で演算する。

【００６４】

【数１３】ψ＝ｔａｎ^-1（ΔＬ_X／ΔＬ_Y）

【００６５】測定物体１９の移動量ΔＳは既述のよう
に、このヤング縞間隔ΔＬから下記の数式１４により演
算される。また、前記縞方向角度ψが測定物体１９のＸ
軸方向に平行な方向に対する移動方向を示す。たとえば
図１に示すように、Ｘ軸方向（偏向器１２Ｘの軸）が図
１の紙面に沿う方向に延びている場合には、測定物体１
９は搬送装置１８の搬送面１８ａ上を、図１の紙面に沿
う方向（Ｘ軸方向）に対して角度ψをなす方向に移動し
たことがわかる。

【００６６】

【数１４】 ΔＳ＝ΔＮ／Ｍ＝（λ₀・ι）／（ΔＬ・Ｍ）

【００６７】以上詳述した測定物体１９の移動量及び移
動速度の測定は、図３に示すようなタイミングで行われ
る。まず消去用発光ダイオード７で照射しつつ第一の光
変調器６に消去用の補償電圧Ｖ_ecと駆動電圧Ｖ_eをこの
順で加える。次に、光変調器６に書き込み用補償電圧Ｖ
_wcを加えた後、書き込み用駆動電圧Ｖ_wを加える。この
書き込み駆動電圧Ｖ_w印加中の時刻ｔに、偏向器４がΔ
ｔの間隔をおいて２回レーザ光を測定物体１９に照射さ
せることにより、光変調器６にスペックルパターンを二
重記録する。二重記録終了と同時にシャッタ９Ｃが開い
て読みだし光を光変調器６に照射する。その後、演算・
制御装置１４が偏向器ドライバー１５を介して偏向器１
２Ｘの超音波周波数掃引制御を行い、Ｘ軸方向のヤング
縞間隔ΔＬ_Xを求める。ついで、偏向器１２Ｙの超音波
周波数掃引制御を行いＹ軸方向のヤング縞間隔ΔＬ_Yを
求める。求められたΔＬ_X及びΔＬ_Yに基づき、演算・制
御装置１４はさらにヤング縞間隔ΔＬ及び縞方向ψを演
算する。該演算結果に基づき、演算・制御装置１４はさ
らに該時刻ｔにおける時間間隔Δｔの測定物体１９の移
動量ΔＳ及び移動方向を演算する。演算・制御装置１４
はさらに、その時刻ｔにおける移動速度Ｖ（＝ΔＳ／Δ
ｔ）をも演算することができる。このようにして該時刻
ｔにおける移動量測定が終了すると、所望の時刻ｔ’で
再び同様な動作を行うことにより時間間隔Δｔ’におけ
る移動量ΔＳ’が測定され、時刻ｔ’における移動速度
Ｖ’（＝ΔＳ’／Δｔ’）をも求められる。

【００６８】ヤング縞間隔ΔＬを求めるための偏向器の
超音波周波数の掃引の方法としては、既述のように一方
の偏向器の周波数掃引を停止しながら他方の掃引を行う
ものの他、以下のような方法がある。

【００６９】まず、既述の方法と同様に、偏向器１２Ｙ
に超音波を伝搬させるのを停止するかまたはその超音波
周波数ｆ_Yを一定に維持したまま、偏向器１２Ｘの周波
数を掃引速度ｄｆ_X／ｄｔで掃引しＸ軸方向のヤング縞
間隔ΔＬ_xを求める。ついで、偏向器１２Ｘの周波数を
掃引速度ｄｆ_X’／ｄｔで掃引しつつ、偏向器１２Ｙの
周波数をも掃引速度ｄｆ_Y／ｄｔで掃引する。ここで、
該掃引速度ｄｆ_X’／ｄｔは該掃引速度ｄｆ_X／ｄｔと等
しくても等しくなくても良い。この場合フレネル回折像
は、偏向器１２ＸによりＸ軸に平行な方向に角速度ｄθ
_X’／ｄｔ（＝（ｄｆ_X’／ｄｔ）・λ₀／ｎｖ）で徐々
に偏向されると同時に、偏向器１２ＹによりＹ軸に平行
な方向に角速度ｄθ_Y／ｄｔ（＝（ｄｆ_Y／ｄｔ）・λ₀
／ｎｖ）で徐々に偏向されていく。このようにフレネル
回折像が偏向器１２Ｘ及び１２Ｙの両方で同時に偏向さ
れる結果、該フレネル回折像が結像してできたヤング縞
が、Ｘ軸方向と平行な方向に速度｜ｖ_X’｜（＝ι_X・ｄ
θ_X’／ｄｔ）で、またＹ軸方向と平行な方向に速度｜
ｖ_Y｜（＝ι_Y・ｄθ_Y／ｄｔ）で同時に移動することに
なる。ここで、速度ｖ_X’及びｖ_Yは速度ベクトルであ
り、｜ｖ_X’｜及び｜ｖ_Y｜はその大きさとする。したが
ってヤング縞は、図７Ａに示すように該速度ベクトルｖ
_X’及びｖ_Yのベクトル和である速度ベクトルｖ_XYで移動
することになる。該速度ベクトルｖ_XYは下記の数式１５
で与えられる。すなわちヤング縞は、Ｘ軸及びＹ軸の方
向に対して斜めの方向である速度ベクトルｖ_XYの方向に
速度｜ｖ_XY｜で移動する。なお該図７Ａは、点線で示す
位置にあったヤング縞明線が実線で示す位置まで該速度
｜ｖ_XY｜で移動したことを示す。

【００７０】

【数１５】ｖ_XY＝ｖ_X’＋ｖ_Y

【００７１】演算・制御装置１４は偏向器ドライバー１
５を介して掃引速度ｄｆ_X’／ｄｔ及びｄｆ_Y／ｄｔを制
御し、装置１４の表示面１４Ａ内（装置１４の時間的制
限範囲Ｔ_max内）にフォトダイオード１３の出力ピーク
が２つ以上表示されるようにする。なお、演算制御装置
１４は偏向器ドライバー１５を制御して出力ピーク時間
間隔が装置１４の前記最小限界値Ｔ_min以上になるよう
にもする。このようにして、出力ピーク時間間隔ΔＴ_XY
を計測する。

【００７２】図７Ｂに示すように、ヤング縞は、この出
力ピーク時間間隔ΔＴ_XYの間に、Ｘ軸に平行な方向に移
動ベクトルＡ_X’、Ｙ軸に平行な方向に移動ベクトルＡ_Y
だけ同時に移動し、その結果としてこれら移動ベクトル
Ａ_X’及びＡ_Yのベクトル和たる移動ベクトルＡ_XY（＝Ａ
_X’＋Ａ_Y）だけ移動する。この移動ベクトルＡ_xYは、そ
の方向が前記ヤング縞の移動方向（前記速度ベクトルｖ
_XYの方向）を向き、その長さが該方向におけるヤング縞
の明線間距離に等しいものである。ここで、前記移動ベ
クトルＡ_X’の長さ｜Ａ_X’｜は下記の数式１６により、
また、前記移動ベクトルＡ_Yの長さ｜Ａ_Y｜は数式１７に
より、求められる。

【００７３】

【数１６】｜Ａ_X’｜＝ｖ_X’・ΔＴ_XY＝ΔＴ_XY・ι_X・ｄθ_X’／ｄｔ＝ΔＴ_XY・ι_X・（ｄｆ_X’／ｄｔ）・（λ₀／ｎｖ）

【００７４】

【数１７】｜Ａ_Y｜＝ｖ_Y・ΔＴ_XY＝ΔＴ_XY・ι_Y・ｄθ_Y／ｄｔ＝ΔＴ_XY・ι_Y・（ｄｆ_Y／ｄｔ）・（λ₀／ｎｖ）

【００７５】さらに図７Ｂに示すように、移動ベクトル
Ａ_XYの長さ｜Ａ_XY｜が以下の数式１８により、また、移
動ベクトルＡ_XYの方向として該移動ベクトルＡ_XYのＸ軸
に平行な方向に対する角度γが数式１９により求められ
る。

【００７６】

【数１８】｜Ａ_XY｜²＝｜Ａ_X’｜²＋｜Ａ_Y｜²

【００７７】

【数１９】γ＝ｔａｎ^-1（｜Ａ_Y｜／｜Ａ_X’｜）

【００７８】以上の数式１６から１９より、ヤング縞の
移動の方向におけるヤング縞明線間距離｜Ａ_XY｜及び該
移動方向のＸ軸方向に対する角度γが求められる。

【００７９】ヤング縞の縞間隔（すなわちヤング縞に垂
直な方向におけるヤング縞明線間距離）ΔＬ及び縞方向
（縞に垂直な方向）は、該求められたヤング縞の該移動
方向におけるヤング縞明線間距離｜Ａ_XY｜及び該移動方
向角度γより以下のように求められる。

【００８０】たとえば図７Ｂに示すようにヤング縞が移
動ベクトルＡ_XYだけ移動した結果、図８に示すようにヤ
ング縞明線上の点Ｏが点Ｏ’まで移動したとする。前記
移動ベクトル長さ｜Ａ_X’｜、前記移動ベクトル長さ｜
Ａ_Y｜、ヤング縞移動方向角度γ、及び、該移動方向に
おけるヤング縞明線間距離｜Ａ_XY｜は既述の数式１６か
ら１９より求められる。また、Ｘ軸方向に平行な方向に
おけるヤング縞間隔ΔＬ_Xは、すでに計測されている。
そこで、図８における距離Ｂが下記の数式２０により与
えられる。この結果、ヤング縞間隔ΔＬ（ヤング縞に垂
直な方向におけるヤング縞明線間距離）が数式２１によ
り求められる。

【００８１】

【数２０】Ｂ²＝｜Ａ_XY｜²＋（ΔＬ_X）²−２｜Ａ_XY｜・ΔＬ_X・ｃｏｓγ

【００８２】

【数２１】 ΔＬ＝２［ｓ（ｓ−ΔＬ_X）（ｓ−｜Ａ_XY｜）（ｓ−Ｂ）］^1/2／Ｂ

【００８３】なお、該数式２１においてｓとは以下の数
式２２を満たすものである。

【００８４】

【数２２】２ｓ＝ΔＬ_X＋｜Ａ_XY｜＋Ｂ

【００８５】また、ヤング縞の方向（ヤング縞に垂直な
方向）として該方向のＸ軸方向に平行な方向に対する角
度ψを考えると、該角度ψは以下の数式２３で与えられ
る。

【００８６】

【数２３】 ψ＝９０゜−ｓｉｎ^-1［（｜Ａ_XY｜／Ｂ）ｓｉｎγ］

【００８７】これらの演算を演算・制御装置１４が行う
ことにより、ヤング縞の該縞間隔ΔＬ及び該縞方向ψが
求められる。よって、既述の数式１４より測定物体１９
の移動量ΔＳが求められる。また、該縞方向ψが測定物
体１９のＸ軸方向に平行な方向に対する移動方向を示
す。

【００８８】本発明は上述した実施例の光学的変位量測
定装置に限定されることなく本発明の趣旨から逸脱する
ことなく種々の変更が可能である。たとえば、上述の実
施例ではＸ軸方向の偏向を行ったのちにＹ軸方向の偏向
を行ったが、この逆でも良い。また上述の実施例では、
二つの偏向器１２Ｘ及び１２Ｙはその偏向方向（Ｘ軸方
向及びＹ軸方向）が互いに直角をなすように配置されて
いたが、直角でなくても良い。偏向方向が平行でなくな
んらかの角度を有するように配置して、ヤング縞を少な
くとも互いに異なる二方向に偏向できればよい。なお、
偏向器１２Ｘと１２Ｙをその偏向方向（すなわちＸ軸と
Ｙ軸）がたとえばある角度αをなすように配置する場合
には、半波長板１１の代わりに偏光状態を同一の角度α
だけ回転させる機能を有する素子を偏向器の間に配置す
る。二つの偏向方向における偏向特性を互いに同一にす
る必要があるからである。

【００８９】上述の実施例では、ヤング縞を少なくとも
互いに異なる二方向に偏向する手段として音響光学偏向
器を用いているが、偏向手段はこれに限られない。例え
ば、ガルバノミラーを用いてもよく、電気光学偏向器、
磁気光学偏向器等を用いても良い。

【００９０】上述の実施例では、ヤング縞の変化状態
（移動状態）を検出する手段としてフォトダイオード１
３を用いていたがこれに限られない。フーリエ変換面
（フーリエ変換レンズ後焦点面）上の一点の位置におけ
る光強度及びその変化が測定可能な０次元状の光ディテ
クターであれば良い。さらに、かかる点状光ディテクタ
ーでなくても、フーリエ変換面（フーリエ変換レンズ後
焦点面）上に形成されたヤング縞が変化する状態を検出
できるものであれば良い。

【００９１】上述の実施例では光学的変位量測定装置は
固定されており測定物体が移動していたが、この逆でも
よい。すなわち、光学的変位量測定装置が移動してお
り、測定物体は固定されているものでもよい。この場合
には、固定された測定物体の光学的変位量測定装置に対
する相対的な移動量及び移動方向を測定することによっ
て、光学的変位量測定装置の絶対的な移動量及び移動方
向が求められる。たとえば、光学的変位量測定装置を自
動車等移動する物体に載置することにより、この移動す
る物体の移動量及び速度を求めることができる。

【００９２】さらに、測定物体にはレーザ光のようなコ
ヒーレント光でなくインコヒーレント光を照射しても良
い。この場合には、スペックルパターンでなく測定物体
の像が光変調器に記録される。こうして変位前後の物体
の像を光変調器に二重記録する。記録した変位前後の物
体の像をコヒーレント光で読み出しフーリエ変換してヤ
ング縞を形成する。これを偏向器により二方向に偏向す
る。この偏向結果を測定することにより測定物体の変位
量及び変位方向を求めることができる。

【００９３】また、スペックルパターンを二重記録する
手段としては、強誘電性液晶空間光変調器に限られず、
測定物体変位前の受光パターンを少なくとも変位後の受
光パターンを記録するまで蓄積でき物体変位前後の像を
二重記録することが可能な空間光変調器であればよい。
たとえば、写真乾板でも良い。

【００９４】更に、上述の実施例では光を測定物体に照
射させその反射光パターンで物体の変位量及び変位方向
を測定していたが、測定物体の種類等によっては透過光
パターンで測定を行ってもよい。すなわち、測定物体の
透過光に形成された像やスペックルパターンを光変調器
に二重記録させるようにしてもよい。

【００９５】測定物体からの透過光または反射光に形成
されたパターンの光強度が小さい場合には、結像レンズ
５と光変調器６との間に公知のイメージインテンシファ
イアを設けて、パターンの光強度を高めた後に光変調器
６の書き込み入射面６Ｓ_wに入射させるようにしてもよ
い。

【００９６】上述の実施例では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置
２からの光の一部を偏向器４で偏向して測定物体１９に
照射しスペックルパターンを形成していた。しかし、偏
向器４がなく、Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置２からの光を測定
物体１９に常に照射させ続けるようにしてもよい。この
場合には、ある時刻ｔにおいて時間間隔Δｔをおいて２
回書き込み駆動電圧Ｖ_wを光変調器６に印加することに
より、スペックルパターンの二重記録を行う。また、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザ装置２とは別にパルス状光源たるレーザ
ダイオード（ＬＤ）を設けパルス状ＬＤ光により測定物
体１９を選択的に照射してスペックルパターンを形成さ
せてもよい。

【００９７】

【発明の効果】以上詳述したことから明かなように、本
発明の光学的変位量測定装置においては、装置に対して
相対的に変位する測定対象に光照射手段により光を照射
し、測定対象からの透過光または反射光を記録手段に受
光させる。記録手段は測定対象の像を所定の時間間隔を
おいて二重記録し、測定対象と該記録手段（装置）との
相対的変位状態を記録する。この記録手段にコヒーレン
ト光投光手段からのコヒーレント光を照射して記録手段
の該二重記録像を読み出す。該読みだした二重記録像を
偏向手段により少なくとも互いに異なる二方向に偏向す
る。同時に、該読みだした二重記録像をフーリエ変換手
段によりフーリエ変換しフーリエ変換像たるヤング縞を
形成する。したがって該形成されたヤング縞は、該読み
だした二重記録像の偏向に基づき互いに異なる二方向に
移動する。該ヤング縞の該二方向の移動による変化（移
動）状態を検出手段により検出することにより、ヤング
縞の縞方向及び縞間隔を演算する。この演算結果に基づ
いて測定対象の光学的変位量測定装置に対する相対的変
位量及び変位方向を演算する。本発明ではこのように、
ヤング縞を少なくとも互いに異なる二方向に移動させ、
その移動状態（変化状態）を検出してヤング縞の縞方向
及び縞間隔を演算する。したがって、ヤング縞の縞方向
及び縞間隔を求めるのにデータ採取や複雑な比較演算が
不要であるため、短時間で測定をすることができ実時間
測定性に優れている。

【００９８】また、フーリエ変換像たるヤング縞を少な
くとも互いに異なる二方向に偏向するための偏向器があ
れば良いので、装置全体の小型化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかる光学的変位量測定装置
を示す光学系統図である。

【図２】本発明で使用される光変調器を拡大して示す断
面図である。

【図３】本発明の実施例にかかる光学的変位量測定装置
の動作タイミングチャートである。

【図４Ａ】本発明で使用される音響光学偏向器を説明す
るための断面図である。

【図４Ｂ】本発明においてレンズ１０からの光を二つの
互いに異なる方向へ偏向する様子を説明するための斜視
図である。

【図４Ｃ】本発明における二つの音響光学偏向器及び半
波長板の配置状態を説明する斜視図である。

【図４Ｄ】本発明におけるフォトダイオード１３の偏向
器１２Ｘ及び１２Ｙに対する位置を説明する図であり、
レンズ１０側から見た正面図である。

【図５Ａ】本発明においてヤング縞が偏向器１２Ｘによ
り偏向される様子を説明する説明図である。

【図５Ｂ】本発明においてヤング縞が偏向器１２Ｘによ
り偏向される結果フォトダイオード１３の受光強度が時
間的に変化する様子を説明する図である。

【図５Ｃ】本発明においてヤング縞が偏向器１２Ｙによ
り偏向される様子を説明する説明図である。

【図５Ｄ】本発明においてヤング縞が偏向器１２Ｙによ
り偏向される結果フォトダイオード１３の受光強度が時
間的に変化する様子を説明する図である。

【図６】ヤング縞の縞間隔及び縞方向の演算方法を説明
する図である。

【図７Ａ】本発明においてヤング縞が偏向器１２Ｘ及び
１２Ｙにより偏向される様子を説明する説明図である。

【図７Ｂ】ヤング縞が時間間隔ΔＴ_XYの間に移動する状
態を説明する説明図である。

【図８】ヤング縞の縞間隔及び縞方向の演算方法を説明
する図である。

【符号の説明】

１光学的変位量測定装置２Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置３ハーフミラー４音響光学偏向器６光変調器１０フーリエ変換レンズ１１半波長板１２Ｘ音響光学偏向器１２Ｙ音響光学偏向器１４演算・制御装置１５偏向器ドライバー１６光変調器コントローラ１７偏向器コントローラ１９測定物体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象へ光を照射するための光照射手
段と、この照射光に基づく測定対象からの反射光または
透過光を受光して該測定対象の像を所定の時間間隔で二
重記録し該測定対象の相対的変位を記録する記録手段
と、該記録手段にコヒーレント光を照射して記録された
像を読みだすための読みだし用コヒーレント光投光手段
と、該読み出した像を少なくとも互いに異なる二方向に
偏向する偏向手段と、該読み出した像をフーリエ変換す
るためのフーリエ変換手段と、該読みだした像の偏向に
よる該フーリエ変換像の変化状態を検出し該記録手段と
該光学的変位量測定装置との間の相対的変位量を求める
ための検出手段とを備えたことを特徴とする該光学的変
位量測定装置。
【請求項２】前記光照射手段がコヒーレント光を前記
測定対象へ照射して、該測定対象からの反射光または透
過光にスペックルパターンを形成させ、該スペックルパ
ターンを前記記録手段へ二重記録することを特徴とする
請求項１記載の光学的変位量測定装置。